On phenomena in ionized gases

4. Conclusion 

The  experimental  results  show  the  potential  of 

high  power  regime  DBD  in  deposition  of  carbon 

based 

dust 

particles 

and 

their 

subsequent 

classifications as interstellar dust analogues. 

 

5. Acknowledgement 

This  research  was  financially  supported  by 

Romanian Space Agency (ROSA) under the project 

STAR  CDI  ID  486/2017-2019.  The  POSCCE-O 

2.2.1,  SMIS-CSNR  13984-901,  no.  257/28.09.2010 

Project, CERNESIM, is gratefully acknowledged for 

the infrastructure used in this study. 

Topic number: 14 

348

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

 Formation of Molten Metal Jets and Droplets 

in the Cathode Spot of Vacuum Arc Discharge  

 

M. Gashkov

P

1

P

, N. Zubarev

12

, G.A. Mesyats

12

P

, I.V. Uimanov

1

P

 

 

P

1

P

 Institute of Elecrtophysics,Ural Branch of Russian Academy of Science, Yekaterinburg, Russia  

P

2

P

 Lebedev Physical Institute, Russian Acadeny of Science, Moscow, Russia 

 

The dynamics of molten metal during crater formation in the cathode spot of vacuum arc discharge 

was theoretically  investigated. At the initial stage, a liquid-metal rim is formed around the crater. 

This  process  has  been  numerically  simulated  in  the  framework  of  the  two-dimensional 

axisymmetric  heat  and  mass  transfer  problem  in  the  approximation  of  viscous  incompressible 

liquid.  At  a  more  developed  stage,  the  motion  of  liquid  metal  loses  axial  symmetry,  which 

corresponds to a tendency toward jet formation. The development of azimuthal instabilities of the 

rim  is  analysed  in  terms  of  dispersion  relations  for  surface  waves.  It  is  shown  that  maximum 

increments  correspond  to  instability  of  the  Rayleigh–Plateau  type.  Estimations  of  the  time  of 

formation of liquid metal jets and their probable number are obtained. 

 

As  is  known,  the  cathode  spot  is  a  source  of 

liquid metal jets and droplets that play an important 

role  in  the  self-sustained  operation  of  vacuum  arc 

discharge  [1].  They  are  formed  whereas  the  molten 

metal  is  extruded  by  the  pressure  of  explosive 

plasma  out  from  craters  formed  on  the  cathode.  A 

jet formation  mechanism based  on the development 

of  azimuthal  instability  of  the  Rayleigh–Plateau 

(RP)  type  of  the  boundary  of  liquid  expelled  from 

craters  has  been  proposed  in  Ref.  [2].  However,  a 

qualitative character of models used in [2] does not 

exclude  that  the  Rayleigh–Taylor  (RT)  instability 

also  develops,  since  the  characteristic  times  of  RP 

and RT instabilities are comparable. 

The main idea of the present work is to combine 

numerical  and  analytical  approaches  in  considering 

hydrodynamic  processes  in  the  cathode  spot  cell  of 

vacuum  arc.  In  the  2D  axisymmetric  problem 

formulation,  we  have  numerically  simulated  the 

formation of a liquid metal rim around the crater. At 

the  same  time,  we  analytically  studied linear stages 

of  the  development  of  3D  instabilities  in  the  rim 

with allowance for a change in its geometry.  

As can be seen from Fig. 1, the most pronounced 

growth  of  perturbations  is  observed  for  the 

azimuthal  harmonic  with  n  =  11  and  results  from 

development  of  the  RP  instability.  The  harmonic 

amplitude  exhibits  for  25  ns  an  almost  fivefold 

increase,  which  can  provide  the  formation  of  jets 

simultaneously  with  crater  formation.  At  the  same 

time,  the  RT  instability  ensures  most  rapid  growth 

of  the  harmonic  with  n  =  5,  but  it’s  amplitude 

exhibits only threefold increase. 

The characteristic time of development of the RP 

instability  (i.e.,  the  time  for  which  the  surface 

perturbation  amplitude  increases  by  a  factor  of  e  ≈ 

2.72)  amounts  to  14  ns,  while  that  for  the  RT 

instability is significantly greater and reaches 21 ns. 

Thus, the results of our theoretical analysis with 

allowance  for  the  substantially  3D  character  of 

deformations of the liquid rim lead to the conclusion 

that  the  RP  instability  is  responsible  for  the 

formation of liquid metal jets (see also Ref. [3]). 

This work was supported by the RFBR (projects 

Nos.  16-08-00228  and  17-08-00430)  and  by  the 

Presidium of the RAS (Program No. 9). 

 

Figure  1.  The  results  of  calculations  of  the  growth  of 

amplitudes  of  azimuthal  perturbations  on  the  surface  of 

liquid metal rim for modes with various numbers n during 

the time interval from t = 10 to 35 ns (A

0

 and A being the 

initial  and  final  values,  respectively):  (1,  2)  upper  and 

lower  estimates  of  the  relative  amplitude  growth  due  to 

development  of  the  RP  instability;  (3,  4)  same  for 

development of the RT instability. 

[1] G.A. Mesyats. 

Phys. Usp

. 38 (1995) 567.  

[2]  G.A.  Mesyats,  N.M.  Zubarev.  J.  Appl.  Phys. 

117 (2015) 043302.  

[3] M.A. Gashkov, N.M. Zubarev, G.A. Mesyats, 

I.V. Uimanov. Tech. Phys. Lett. 42 (2016) 852. 

 

3 

349

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Study of electric field distribution in helium and hydrogen DBD at lower 

pressures 

 

S. S. Ivković

1

, B. M. Obradović

1

, N. Cvetanović

2

 and M.M. Kuraica

1

 

 

P

1

P

University of Belgrade, Faculty of Physics, 11001 Belgrade 

P

2

P

University of Belgrade, Faculty of Transport and Traffic Engineering, 11000 Belgrade 

 

 

The effect of pressure, voltage, electrode gap and surface on the electric field distribution in DBD 

in helium and hydrogen in the pressure range 5 – 100 mbar was investigated. It was found that the 

type of the discharge and its characteristic axial electric field distribution strongly depends on the 

distance between electrodes while influence of the pressure is mostly seen as a change of the field 

value. It was found that discharge in helium is a subnormal-like for 1 mm gap, and for 5 mm it is a 

glow-like. The discharge in hydrogen changes from a Townsend-like for 1 mm gap to a glow-like 

for 5 mm gap. 

 

1. Introduction 

Atmospheric dielectric barrier discharges (DBDs) 

have been widely studied over the last few decades 

mostly because of their broad application fields [1]. 

Ease of their implementation was demonstrated in 

different processes like surface modification, 

deposition, activation, gas purification, 

decontamination. Various discharge regimes have 

been observed and  documented  using  high  speed  

imaging,  temporally and  spatially  resolved  optical  

emission  spectroscopy  and simulations. In this 

paper we investigate DBD in helium and hydrogen 

in the pressure range 5 – 100 mbar. The effect of 

pressure, voltage, electrode gap and surface on the 

electrical characteristics of DBDs is investigated. 

We present the different regimes observed in the 

DBDs operation, depending on pressure observed 

trough the electric field distribution in the discharge. 

Stark polarization spectroscopy of hydrogen Balmer 

alpha line [2] was used for measurement. Using 

time-resolved spectroscopy, evolution of the electric 

field distribution was studied during the discharge 

development. 

  

2. Experiment 

In our experiment the discharge is formed 

between two parallel electrodes: one metal electrode 

(40 × 40 mm

2

) is covered with alumina dielectric 

while the other electrode is made of steel mesh and 

covered with pyrex glass. The distance between the 

barriers is set at 1, 2 and 5 mm. The discharge 

chamber is firstly evacuated down to 10

-2

 mbar, and 

then the working gas is introduced up to 80 mbar 

pressure. The amplitude of the sine applied voltage 

was 1.1 and 1.75 kV at frequency of 19.7 kHz. 

Voltage is measured using high-voltage probe, and 

current is monitored using Rogowski coil. For time-

space resolved measurement of emission spectra the 

1–m spectrometer with ICCD detector was used. 

 

3. Results 

It was found that the type of the discharge and its 

characteristic axial electric field distribution strongly 

depends on the distance between the electrodes. 

Influence of the pressure is mainly observed as a 

change in the electric field strength, while its 

influence on the shape of the field distribution is 

minor. According to the measured electric field 

distributions, the discharge in hydrogen for 1 mm 

electrode gap is in the Townsend-like mode, for 

2 mm it is in subnormal-like and for 5 mm in the 

glow-like mode. Figure 1 shows that discharge in 

helium is in subnormal-like mode for 1 mm 

electrode gap. While measurements for 2 mm and 5 

mm gap have shown that discharge is in the glow-

like mode. 

Fig. 1: Electric field distributions for the helium DBD at 

different pressures. Inter electrode gap is 1 mm. 

 

4. References 

[1] U. Kogelschatz  Plasma Chem. Plasma Proc. 

23 (2003) 1–46. 

[2] T. Wujec, H.W. Janus and W. Jelenski, J. 

Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 868–877. 

 

6 

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

 12mbar

 20mbar

 40mbar

 80mbar

E [kV/

cm]

Distance from cathode [mm]

350

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Probing internal excitation of trapped O

+

(

4

S, 

2

D, 

2

P) ions  

by reaction with N

2

 

 

 

R. Plašil

1

, A. Kovalenko

1

, T. D. Tran

1

, S. Rednyk

1

, Š. Roučka

1

, P. Dohnal

1

, J. Glosík

1

 

 

1

 Department of Surface and Plasma Science, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University in 

Prague, Prague, Czech Republic 

 

When the atomic oxygen cation O

+

 takes part as a reactant or a product in experimental studies, 

electronically exited states may play a significant  role.  For investigation of ion molecular 

reactions,  a cryo-cooled radiofrequency ion trap is used. Molecular nitrogen was chosen  as a 

monitor gas for probing a  presence of long-lived excited O

+

(

2

D, 

2

P)  in an ensemble of ions 

confined in the radiofrequency trap. The fraction of electronically excited ions was determined. 

The rate coefficient of the reaction of O

+

(

4

S), the electronic ground state, with nitrogen molecule 

was  measured  at low temperatures.  The reaction rate coefficient at 61 K was evaluated as 

(7.5 ± 1.5)×10

–12

 cm

3 

s

–1

. It confirms an increase of the coefficient at low temperatures. 

 

Introduction 

The atomic oxygen cation O

+

 plays a significant 

role in numerous environments such as planetary 

ionospheres or technological plasmas. The existence 

of long-lived  O

+

(

2

D,

  2

P) metastable states may be 

important in  many situations. For  states 

2

D

3/2 

and 

2

D

5/2

 the lifetimes are in the order of hours and for 

states 

2

P

1/2

  and 

2

P

3/2

  in seconds [1]. The excited 

states carry electronic energy of 3.3 eV and 5.0 eV, 

respectively. The only exoergic channel for reaction 

of  O

+

  in ground state with N

2

  is formation of NO

+

 

(1). The charge transfer (2) is endoergic. 

O

+

(

4

S) + N

2

 → NO

+

 + N,   ΔH = –1.13 eV   (1) 

O

+

(

4

S) + N

2

 → N

2

+

 + O,   ΔH = +1.96 eV   (2) 

For  the  excited states O

+

(

2

D,

  2

P) both reactions 

are exoergic and for reaction (2) the rate coefficient 

is close to Langevin rate in the order of 10

–10

 cm

3 

s

–1

 

[1, 2]. The charge transfer (2) from excited O

+

 ion to 

N

2

 is dominant channel.  

We used these reactions as a  probe for excited 

states of O

+

 ions confined in the radiofrequency trap. 

In addition we confirmed steep increase of the rate 

coefficient of the  reaction (2) with decreasing 

temperature [1, 3]. 

Experiment 

A 22-pole radiofrequency ion trap was used for 

this study. It was placed on a cryo-cooler in an ultra-

high vacuum system. The measuring procedure was 

based on iterative filling of the trap with a well-

defined number of primary ions O

+

. They react with 

N

2

 and the contents of the trap were analysed after 

chosen times by means of a quadrupole mass 

spectrometer with micro-channel plate detector. 

Additional details may be found in reference [4] and 

references therein.  The O

+

  ions were produced in 

separated ion source by electron impact from N

2

O 

molecule to reduce  the  ratio of exited states in 

comparison with a production from O

2

. 

From the number of  N

2

+

  we may evaluate  a 

fraction  of exited states of O

+

  as  (5 ± 1)% for 

electron impact energy E

e

 = 75 eV and (10 ± 2)% for 

145 eV, see Figure 1. 

0

100

200

300

400

0.02

0.1

1

E

e

=75 eV

E

e

=145 eV

O

+

N

2

+

Σ

[N

2

] = 3.9×10

11

cm

–3

; [He] = 6.0×10

13

cm

–3

N(

t)

/N

0

(t

=

0)

t (ms)

NO

+

 

Fig. 1: Evolution of normalized number of ions in rf 

trap  at temperature 61 K.  From  the  increase of NO

+

  we 

may determine the rate coefficient of the  reaction (1) 

(7.5 ± 1.5)×10

–12

 cm

3 

s

–1

. The number densities of the N

2

 

reactant and helium buffer gas are indicated in the figure. 

We thank the TU Chemnitz, the DFG,  prof. D. 

Gerlich for lending us the apparatus  and  Czech 

Science Foundation grant 17-18067S.  

References 

[1] J. Glosík et al., J. Phys. B: Atom. Molec. Phys. 

11 (1978) 3365. 

[2] B.R. Rowe et al., J. Chem. Phys. 73 (1980) 194. 

[3]  J-L. Le Garrec et al., Chem. Phys. Lett. 372 

(2003) 485. 

[4] D. Gerlich and G. Borodi, Faraday Discussions 

142 (2009) 57. 

1 

351

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Investigation of magnetic sheath effect on angle of incident ion  

at graphite wall

 

Nam-Kyun Kim

P

1

P

, Jaemin Song

1

, Younggil Jin

1

, Ki-Baek Roh

1

, and Gon-Ho Kim

1

P

 

P

1

P

Department of Energy Systems Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea  

 

The ion incident angle on an oblique plasma-facing surface can deviate from the magnetic field line, 

depending on the characteristics of the plasma sheath which is formed between the plasma and the 

surface. The characteristics of the sheath in an oblique magnetic field is investigated with respect to 

the magnetic field strength and the angle. A fluid model predicts that, in a weak magnetic field, the 

sheath structure consists of a presheath and a sheath. In a strong magnetic field, the sheath structure 

is composed of a collisional presheath, a magnetic presheath, and a sheath. The characteristics of 

each region and the ion dynamics inside the regions are also revealed. The observed ion incident 

angle, which is measured by a noble material probe, verifies the fluid model of the oblique magnetic 

sheath. 

 

1. Background 

      In  the  existence  of  a  strong  magnetic  field 

(B-field), like in a tokamak, it is easy to consider that 

the ion incident angle on an oblique surface would be 

comparable  to  that  of  the  B-field  line.  However, 

Ahedo [

1

] suggested a magnetic sheath model that the 

electric  field  (E-field)  inside  the  plasma-wall 

transition  region  (here,  we  call  it  the  ‘transition 

region’) forces the ions to have the ExB drift motion. 

Thus, the ion motion becomes 3-D, deviated from the 

B-field  line.  However,  no  experimental  observation 

that verifies the model has been carried out. Here, we 

have verified the Ahedo’s model by observing the ion 

incident angle on an oblique plasma-facing surface in 

magnetic  fields.  Some  ambiguity  of  the  model  has 

also been corrected. 

      The governing equation set of the model is,  





2

2

0

e

i

e n

n

d U

dx







, 

ln

.

e

B e

eU

n

const

k T





, 

.

i

x

n V

const



 

ˆ

B i

i

i

x

c

i

i

k T dn

d

dU

m V

e

e

m

dx

dx

n

dx









 













V

V B

x

V

.     (1) 

Here, the E-field is assumed to be aligned along the 

surface normal (-x direction) and the magnetic field is 

lying on the xz-plane as B=B(cos



, 0, sin



) (Fig. 1). 

  

2. Experiments 

      A noble ‘material probe’ has been developed to 

measure the ion incident angle at the probe surface. 

When immersing a negatively biased graphite probe 

to a hydrogen plasma, a bundle of nano-tip is formed 

on  the  surface  (Fig.  1)  along  the  ion  incident 

direction,  due  to  the  physical/chemical  etching  by 

energetic  incident  ions.  By  analysing  the  inclined 

angle on SEM images, the ion angle can be measured. 

      Experiments  were  carried  out  in  both  the  weak 

and strong B-field conditions (an ECR source with < 

1 kG and the KSTAR far-SOL with ~ 2 T). The angle 

between the probe (surface normal direction) and the 

B-field was varied in the range of 0º ~ 85º. 

 

Figure  1.  A  schematic  diagram  of  the  system  and  the 

nano-scale tips on the material probe.  

 

3. Results and Discussion 

With the parameters of the weak-B ECR plasma, 

the model predicts that the transition region consists 

of  two  layers;  a  presheath  and  a  sheath.  In  the 

presheath the ions start to flow along the -y direction. 

The y-directional velocity, V

y

, is given by,  





2

2

2

2

1

sin

sin

x

s

x

c

y

ci

Ti

s

V

C

V

dU

V

B

dx

V

C





 









. 

 

   (2) 

Eq. (2) reveals that the ExB drift (1

st

 term on RHS) 

and the collisional property (2

nd

 term on RHS) both 

affect  the  ion  motion.  In  the  sheath,  the  ions  are 

accelerated only in the surface normal direction. 

      With the parameters of KSTAR far-SOL plasma, 

it  is  predicted  that  the  transition  region  consists  of 

three  layers;  a  collisional  presheath,  a  magnetic 

presheath,  and  a  sheath.  Although  there  is  a  weak 

E-field  inside  the  collisional  presheath,  the  strong 

B-field confines the ions thus V

y

=0 in the region. The 

ions  start  to  move  along  the  -y  direction  inside  the 

magnetic presheath, and the velocity,  

2

2

2

2

1

sin

x

s

y

Ti

s

V

C

dU

V

B

dx

V

C









 









, 

 

 

   (3) 

reveals that only the ExB drift affects the ion motion. 

The above effects of the sheath make the ion incident 

angle  much  narrower  than  the  B-field  angle.  These 

prediction  is  greatly  supported  by  our  experiments 

and the details will be discussed in the conference. 

 

[1] E. Ahedo, Phys. Plasmas 4(12), 4419 (1997). 

352

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal